XPS

小课堂

上期我们介绍了XPS的重要参数能量分辨率与灵敏度之间的联系，以及在实际操作中需要调节的参数——通能的基本概念，本期XPS小课堂将分享在具体的应用中我们应该如何选择通能大小，以及如何在分析灵敏度和能量分辨率之间寻求更好的平衡。

了解仪器的性能和样品的情况对测试XPS来说非常重要，通常来说首先应该获取样品的宽扫描谱图，以确定样品中存在的元素，然后进行精细谱的扫描获得元素的化学状态信息。

01 宽谱扫描的通能选择

宽谱扫描是在整个结合能范围内的低能量分辨率、高灵敏度的采集，采集的能量范围为1200eV到-5eV。对于岛津的XPS来说，宽谱的测试的通能通常建议为160eV，步进为1eV。在该通能下仪器处于高灵敏度的模式，痕量、低浓度的元素都可以在此模式下尽可能地被检测到，高通能下可以获得高计数率以及在短时间内可获得很好的信噪比。

图1. 硅酸盐颗粒负载Au催化剂

如上图所示为硅酸盐颗粒负载Au催化剂，该样品表面Au的含量低于0.02%原子百分比，全扫谱图表明硅酸盐颗粒表面具有很强的O和Si元素信号，全扫谱图局部放大图中可以清晰的看到Au 4f 的双峰。

但如上期所说择较高的通能时，可以获得更好的灵敏度，但同时分辨率会降低。在该采集条件下，很难确定元素的化学状态。

为了确定样品中元素的化学状态，我们需要在较低的通能下进行窄谱扫描。

02 窄谱扫描的通能选择

对于岛津的XPS来说，通常建议采用通能40eV、20eV，步进0.1eV进行测试，可获得高能量分辨率的窄谱,可以确定测试元素局部化学环境变化产生的化学位移。

样品本身对能量分辨率也有影响，减小通能对于改善发射谱线本征宽度较小的谱线（如金属单质或高分子材料中的C 1s）会有比较明显的效果。

图2. 不同通能条件下C1s的高能量分辨光电子谱图

如上图所示，当测试通能由80eV逐渐降低到5eV时，能明显观察到两个化学态的光电子谱峰分的更开，也能观察到更多的细节。

但对于本征线宽比较大的金属氧化物测试而言，通常会采用通能40eV，在该通能下会有比较好的灵敏度，即使进一步的降低通能到20eV,对于分辨率的提高（相比于40eV）也非常有限，因为本征线宽比较大，通能的减小对分辨率提高的贡献不大。

典型地说，20eV和40eV的通能对单质的Fe 2p可以看出明显的半高宽变化，但是对于Fe的氧化物2p峰来说，两个通能下的分辨率却差不多——为什么呢？因为Fe氧化以后，Fe原子（离子）趋于稳定，2p轨道的能级寿命变短，导致发射谱线的线宽变大，即Fe的WA变大了，通能从40eV变到20eV时导致的WD变小不足以在测量谱线的线宽W有明显的变化，但是对于Fe单质而言，WA足够小，通能从40eV变到20eV时导致的WD变小能够导致测量谱线的线宽W有明显的变化！

03小结

XPS的测试，从本质上讲，就是在谱线分辨率和灵敏度之间找到一个较好的平衡点——看得见的基础上要分得开！

在测量金属单质和本征线宽较小的谱线（如高分子材料的C 1s）时，减小通能可以明显地看到测量谱线在变窄，但是在测量金属氧化物的时候，往往40eV的通能和20eV的通能在谱线分辨率方面差异不大，但是强度却下降不少（对数关系哦）。所以，我们经常使用的40eV或20eV的通能，就是这样的两个平衡点——20eV在分得开方面做得更好一点，对复杂的化学状态分辨（金属单质和高分子材料的C和O）更适合；而40eV的通能在看得见的方面做得更好一点，对于含量较低的元素（金属的氧化物）分析更适合。

当然，有时候要做更极限的分辨，如sp2和sp3杂化的C，可能要用到更小的通能10eV甚至5eV了，那时候灵敏度下降的更厉害一些，需要使用更高的功率和更多次的扫描才能获得信噪比更好的谱线了。

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